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分析12bit ADC MCU+運放額溫槍方案不足之處

發布時間:2020-04-07 責任編輯:lina

【導讀】因為疫情影響,采用紅外測溫技術的額外槍是緊俏物資,也是受廣大電子工程師們關注的一個熱門話題。圍繞額溫槍的方案,在疫情前基本只存在一種主流方案,其一般采用有效位都在16bits 及以上Sigma-delta ADC的模擬前端進行測量。
    
因為疫情影響,采用紅外測溫技術的額外槍是緊俏物資,也是受廣大電子工程師們關注的一個熱門話題。圍繞額溫槍的方案,在疫情前基本只存在一種主流方案,其一般采用有效位都在16bits 及以上Sigma-delta ADC的模擬前端進行測量。 然而疫情期間,由于需求爆棚,而早期高精度Sigma-delta ADC模擬前端方案又存在一定的缺口,使得原本不關注這個領域的通用MCU廠商及方案商也介入這個領域,推出了不采用Sigma-delta ADC模擬前端的另一種方案,典型的就是通過帶12bits ADC的通用32位MCU搭配運放的方案。那么這兩種方案的優劣勢如何呢?筆者嘗試做幾方面分析。

1.     精度和動態范圍對比

由于傳感器探頭信號小,而ADC的分辨率有限,為了能夠滿足0.1℃的測溫顯示分辨率,因此選擇在紅外熱電堆的傳感器探頭信號和ADC直接加運放進行信號放大。實際上,要達到0.1℃的顯示分辨率,底層分辨率至少0.05℃,而為了后續算法(濾波去噪)處理不帶來失真影響測量的準確性,最好底層分辨率是顯示分辨率的10倍以上,及0.01℃。單純為了解決分辨率的問題可以通過提高運放放大倍數著手,但放大倍數也不能任意提高,因為另一個指標對其有約束,這就是動態范圍。例如額溫槍最少要滿足的動態范圍是15~35℃環境溫度變化時,需測量目標溫度32~42℃范圍,也就是要達到42-15=+27℃,32-25=-3℃的動態范圍。這個是最低要求,實際上考慮使用場景,環境溫度范圍可能超過15~35℃,如冬天在室外測量環境溫度可能到10℃,在夏天熱帶地區環境溫度會到40℃。此外,為了增加額溫槍的使用場景提高附加值,一般會設置物溫模式,例如測量水溫、奶溫,特別是對于有哺乳期小孩 的家庭非常實用。此時動態范圍就要求更寬了,會達到+50℃以上。由于為了提高分辨率而放大信號,而信號放大后又會減小動態范圍,因此這兩個指標需要統籌考慮,精心設計。而運放本身除了考慮放大倍數會影響測量性能外,還要考慮其失調電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗電流等參數,否則會顯著影響最終測量效果。

此外,市場上紅外測溫探頭仍然稀缺,各種類型的傳感器不少于15種,各家的信號響應存在一定的差異,再配合探頭結構的不同,導致不同傳感器探頭的信號量存在較大差異。而信號量又顯著影響測量分辨率和動態范圍的指標,進而對設計帶來挑戰。表1詳細對比分析了不同傳感器探頭在相同放大倍數時測量分辨率和動態范圍的不同。

表1 不同傳感器探頭時測量分辨率和動態范圍的對比分析

分析12bit ADC MCU+運放額溫槍方案不足之處

表1中,我們先看第2列和第4列采用12bits ADC(考慮非線性、噪聲等通常有效位只有11位,例如國內某廠商的12bit ADC有效位只有10.3 bits)的方案。第2列中傳感器探頭1的信號約30uV/℃,為了達到最小0.1℃有2個LSB的分辨率(倒數第二行),放大倍數需要達到800倍,而此時動態范圍(倒數第一行)為+/-46.88℃,可以說是動態范圍勉強滿足最低要求。第4列中傳感器探頭2的信號約80uV/℃,此時放大倍數如果仍然為800,則分辨率可以提高到5.2 LSB,但是動態范圍只有+/-17.6℃,不滿足要求。為了使傳感器探頭2可以滿足要求,必須降低放大倍數至400左右。因此可以說,為了適配不同的傳感器探頭,采用12bits ADC的方案,需要改變放大倍數去適配,增加了調試時間。而且這也僅僅是最低要求,上面分析說了,分辨率為2個LSB實際上還是會在后續的濾波去噪中給測量帶來失真誤差(噪聲的非線性折疊)影響準確性。如果按照較為理想的情況,分辨率達到0.1℃有10 個LSB的分辨率計算,則12bits ADC+運放是無論如何設計也不滿足要求的。

那么采用24bits Sigma-delta ADC情況如何呢?表1中第3、5列給出了分析。為了便于對比,我們假設參考電壓、傳感器探頭信號量和上述12bits ADC情況一致,此時24bits Sigma-delta ADC的有效位為18bits,那么當運放放大倍數為32時,不同傳感器探頭信號量情況下,測量分辨率(倒數第2行)和動態范圍(倒數第1行)都可以輕松滿足要求,可以說是游刃有余。而且,一般采用24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端芯片一般會集成32倍放大的運放。

2.     其他

模擬前端所帶的24bits Sigma-delta ADC一般采用差分方式,且其集成的運放一般也是全差分的,相比而言12 bit ADC的MCU+運放方式都是采用單端方式,其抗RS干擾的性能較前者要差。

另外,對于紅外測溫的另一個考量是NTC測量環境溫度的準確性。由于NTC具有大的內阻(100Kohm級別),且隨溫度變化很大(從200K級別變化到10K級別),因此對于測量電路的輸入阻抗提出了較高的要求。如果直接用ADC進行測量采樣,輸入阻抗一般在1Mohm以下,使得NTC內阻的變化會導致測溫的準確性大打折扣,因此需要再增加一個Buffer電路以進行阻抗變換。而采用24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端會集成這個Buffer電路,使得輸入阻抗提高到100Mohm級別,使得NTC內阻變化對測溫準確性的影響降至可以忽略的程度。

此外,為了適應寬泛的環境溫度變化,ADC的基準電壓也需要較低的溫漂系數。這個低溫漂基準一般不會集成在上述通用MCU中,需要額外配置;與此相反,24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端會集成滿足要求的低溫漂基準(50ppm/℃以內,最好在30ppm/℃左右)。

分析12bit ADC MCU+運放額溫槍方案不足之處
圖1:采用帶12bits ADC的MCU的額溫槍方案的電路框圖

分析12bit ADC MCU+運放額溫槍方案不足之處
圖2:采用帶24bits SDADC AFE的額溫槍方案電路框圖

因此,采用帶12bits ADC的通用MCU如果想實現額溫槍方案,如圖1所示,需外圍增加2個運放和1個低溫漂基準,使得信號測量部分PCB布局布線較為復雜,設計復雜度高。如前所述,運放的失調電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗電流等參數,以及放大后的信號帶寬都需要仔細考慮,每項指標都需要符合系統要求,且指標要求高,否則會顯著影響最終測量的精準性。而圖2所示采用帶24bits Sigma-delta ADC AFE的額溫槍方案中信號測量的外圍電路相對簡單,內置運放基本都已經考慮了小信號測量的需求,無需再做分析和選型,設計難度低。

3.     總結
綜上所述,采用帶12bits ADC的通用MCU來實現紅外測溫額溫槍方案,在測量精準度、動態范圍、對傳感器探頭的適應性、抗干擾、外圍器件及設計復雜度等方面都存在不足;而采用帶24bits Sigma-delta ADC的模擬前端方案,則可以避免上述問題。兩者的詳細對比見表2。隨著國內半導體技術和產業的發展,目前帶24bits Sigma-delta ADC的模擬前端完成實現了國產化,且性能不輸國際同行,可以放心選擇。

分析12bit ADC MCU+運放額溫槍方案不足之處
 
(來源:芯海科技)
 
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